• Tidak ada hasil yang ditemukan

Approximation Solution of the Fractional Parabolic Partial    Differential Equation by the Half‐Sweep and Preconditioned    Relaxation 

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2023

Membagikan "Approximation Solution of the Fractional Parabolic Partial    Differential Equation by the Half‐Sweep and Preconditioned    Relaxation "

Copied!
9
0
0

Teks penuh

(1)

See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/352106895

Approximation Solution of the Fractional Parabolic Partial Differential Equation by the Half-Sweep and Preconditioned Relaxation

Article  in  Symmetry · June 2021

DOI: 10.3390/sym13061005

CITATIONS

0

READS

50 4 authors:

Some of the authors of this publication are also working on these related projects:

solution of higher order boundary value problems using cubic B-Spline, polynomial and non-polynomial splinesView project

Springer Publisher Book on Recent Developments in the Mathematical Modelling and Analysis of Infectious Disease Problems (COVID-19)View project Andang Sunarto

Universitas Islam Negeri (UIN) Fatmawati Sukarno, Bengkulu, Indonesia 62PUBLICATIONS   113CITATIONS   

SEE PROFILE

Praveen Agarwal

Anand International College of Engineering 343PUBLICATIONS   3,646CITATIONS   

SEE PROFILE

Jackel Vui Lung Chew

Universiti Malaysia Sabah Labuan International Campus 23PUBLICATIONS   35CITATIONS   

SEE PROFILE

Jumat Sulaiman

Universiti Malaysia Sabah (UMS) 359PUBLICATIONS   1,557CITATIONS   

SEE PROFILE

All content following this page was uploaded by Andang Sunarto on 04 June 2021.

The user has requested enhancement of the downloaded file.

(2)

Article 

Approximation Solution of the Fractional Parabolic Partial    Differential Equation by the Half‐Sweep and Preconditioned    Relaxation 

Andang Sunarto 1,*, Praveen Agarwal 2,3, Jackel Vui Lung Chew 4,* and Jumat Sulaiman 5 

1  Department Tadris Matematika, IAIN Bengkulu, Kota Bengkulu 38211, Indonesia 

2  Department of Mathematics, Anand International College of Engineering,    Jaipur 303012, India; [email protected] 

3  Nonlinear Dynamics Research Center (NDRC), Ajman University, Ajman 346, United Arab Emirates 

4  Faculty of Computing and Informatics, Universiti Malaysia Sabah Labuan International Campus,    Labuan F.T. 87000, Malaysia 

5  Faculty of Science and Natural Resources, Universiti Malaysia Sabah, Kota Kinabalu 88400, Malaysia;   

[email protected] 

*  Correspondence: author: [email protected] (A.S.); [email protected] (J.V.L.C.) 

Abstract: In this study, the numerical solution of space‐fractional parabolic partial differential  equation was considered. The investigation of the solution was made by focusing on the space‐

fractional diffusion equation (SFDE) problem. Note that the symmetry of an efficient approximation  to the SFDE based on a numerical method is related to the compatibility of a discretization scheme  and a linear system solver. The application of the one‐dimensional, linear, unconditionally stable,  and implicit finite difference approximation to SFDE was studied. The general differential equation  of the SFDE was discretized using the space‐fractional derivative of Caputo with a half‐sweep finite  difference scheme. The implicit approximation to the SFDE was formulated, and the formation of a  linear system with a coefficient matrix, which was large and sparse, is shown. The construction of  a general preconditioned system of equation is also presented. This study’s contribution is the in‐

troduction of a half‐sweep preconditioned successive over relaxation (HSPSOR) method for the so‐

lution of the SFDE‐based system of equation. This work extended the use of the HSPSOR as an  efficient numerical method for the time‐fractional diffusion equation, which has been presented in  the 5th North American International Conference on industrial engineering and operations man‐

agement in Detroit, Michigan, USA, 10–14 August 2020. The current work proposed several SFDE  examples to validate the performance of the HSPSOR iterative method in solving the fractional dif‐

fusion equation. The outcome of the numerical investigation illustrated the competence of the  HSPSOR to solve the SFDE and proved that the HSPSOR is superior to the standard approximation,  which is the full‐sweep preconditioned SOR (FSPSOR), in terms of computational complexity. 

Keywords: implicit finite difference scheme; Caputoʹs partial derivative; HSPSOR; space‐fractional; 

fractional diffusion equation   

1. Introduction 

In recent years, many effective mathematical physics models have been developed  using the theory and applying the partial fractional derivatives. In most of the fractional  partial‐differential‐equation‐related works of literature, partial fractional derivatives ap‐

pear in many anomalous phenomena modelling and in complex systems theory. Exam‐

ples include a fractional mathematical model of the dynamics of the cancer chemotherapy  effect based on both the time instant and the time history [1]; a fractional mathematical  model of the population dynamics among cancer stem cells, tumor cells, healthy cells, the 

Citation: Sunarto, A.; Agarwal, P.; 

Chew, J.V.L.; Sulaiman, J.   

Approximation Solution of    the Fractional Parabolic Partial    Differential Equation by the    Half‐Sweep and Preconditioned    Relaxation. Symmetry 202113, 1005. 

https://doi.org/10.3390/sym13061005 

Academic Editor: Alexander  Shapovalov 

Received: 30 April 2021  Accepted: 29 May 2021  Published: 3 June 2021 

Publisher’s Note: MDPI stays neu‐

tral  with  regard  to  jurisdictional  claims in published maps and institu‐

tional affiliations. 

 

Copyright: © 2021 by the authors. Li‐

censee  MDPI,  Basel,  Switzerland. 

This article is an open access article  distributed under the terms and con‐

ditions of the Creative Commons At‐

tribution (CC BY) license (http://crea‐

tivecommons.org/licenses/by/4.0/). 

(3)

Symmetry 2021, 13, 1005  of   

 

effects of excess estrogen and the bodyʹs natural immune response on the cell populations  [2]; a fractional mathematical model to investigate the dynamics of tuberculosis between  the children and the adults [3]; a fractional model an of energy supply‐demand system  [4]; and a fractional mathematical model of the COVID‐19 pandemic [5]. 

The success of fractional partial differential equations was attributed to the derivative  orderʹs generalization, from integer‐order to arbitrary order. The fractional derivatives in  the fractional partial differential equations have an effective memory function that enables  many physical phenomena to be described effectively. Fractional partial differential equa‐

tions can be categorized as a time‐fractional type, a space‐fractional type, and a time‐ and  space‐fractional type. Our research focused on investigating the numerical solution of the  space‐fractional partial differential equation, particularly the parabolic type equation such  as the space‐fractional diffusion equation (SFDE). This research focus came from the need  to discover an efficient solution for the SFDE problem. 

Based on our short review of the existing solution methods, many researchers have  suggested the finite‐difference method. The method of finite difference can be implicit or  explicit, depending on its stability to obtain the solution [6–10]. Since SFDE involves  changing the time and space of a continuous variable, numerical treatment such as finite  difference discretization is necessary to transform the differential equation into a finite  system of linear equations that a computer can solve. Although SFDE can be solved with‐

out discretization, this research focused on improving an iterative method that is mostly  formulated based on a discretized equation. Furthermore, the iterative method works best  in obtaining an accurate approximate solution when a finite system of equations is large  and complex. Other than the method of finite difference, several methods have been pro‐

posed to solve the space‐fractional problems, such as the spectral collocation method [11],  the boundary value method [12], the finite volume method [13], and the method of lines  and splines [14]. 

In this study, an unconditionally stable implicit finite difference scheme and the 𝛽  order Caputo fractional partial derivative were executed to discretize the SFDE and to  obtain the correct approximation equation. The generated system of equation after the  approximation equation was used on the solution domain, which led to a tridiagonal lin‐

ear system. Since the sparse and large‐scale linear system’s coefficient matrix is difficult  to be solved analytically, an iterative method is employed as an alternative. In terms of  the efficiency of the iterative processes, many authors [8,15,16] have suggested and de‐

bated over several numerical iterative methods. Besides that, the block iteration has been  presented [17] to show the computation cost efficiency improvement by separating sys‐

tems of equations. The preconditioned iterative methods have also been widely recog‐

nized as the competent methods for solving linear systems. Thus, the symmetry in solving  the SFDE problem via a numerical method exists in the use of the finite difference discreti‐

zation scheme and the iterative method. A finite difference scheme needs to be uncondi‐

tionally stable so that the solution can be obtained regardless of the time and space step  sizes used. On the other hand, an iterative method needs to be efficient, which means the  accurate solution of a highly complex linear system can be computed in a short time.   

The contribution of this study was to build and examine the efficacy of the half‐sweep  preconditioned SOR (HSPSOR) method, which was formulated from the use of implicit  finite difference and the Caputo fractional derivative, for resolving the SFDE implicitly. 

We also used the full‐sweep preconditioned SOR (FSPSOR) iterative techniques as a con‐

trol method to analyze the efficacy of the HSPSOR method. To begin the formulation and  the investigation of the HSPSOR method, we considered the following general form of the  SFDE as follows: 

𝜕𝑈 𝑥, 𝑡

𝜕𝑡 𝐴 𝜕 𝑈 𝑥, 𝑡

𝜕𝑥 𝐴 𝜕𝑈 𝑥, 𝑡

𝜕𝑥 𝐴 𝑈 𝑥, 𝑡 𝐵 𝑥, 𝑡

, (1) where 𝐴,𝑖 1, 2, and 3 were arbitrary constants, and 𝐵 𝑥,𝑡  was a known function. 

Notice that when the value of 𝛽 in Equation (1) equals 2, one can get a usual diffusion 

(4)

equation with a second‐order derivative in space. The derivative of order‐𝛽 for an SFDE  usually lies between 1 𝛽 2 to provide flexibility in the study of the effect of the me‐

dium and the space interaction with the fluid [18]. The solution of Equation (1), which is  𝑈 𝑥,𝑡 , can be approximated using the method of finite difference subject to the initial and  boundary conditions as given by: 

𝑈 𝑥, 0 𝑈

, 0

𝑥 𝑙,

(2)

and 

𝑈

0,

𝑡 𝑈

,

𝑈 𝑙, 𝑡 𝑈

, 0

𝑡 𝑇.

(3) Before the space‐fractional term in Equation (1) is discretized by the finite difference  mean, the following established definitions from the theory of fractional derivatives must  be defined as follows [19]: 

Definition 1. Let a real number  𝛼 0, and let the function 𝑓 be continuous on 𝐹 0,∞   and integrable on any finite subinterval of 𝐹 0,∞ . Then, for 𝑥 0, the Riemann–Liouville  fractional integral, 𝑓 with the order  𝛼 is defined as: 

𝐽 1

Γ

𝛼

𝑥 𝜉 𝑓 𝜉 𝑑𝜉.

(4)

Definition 2. Let a real number 𝛽 0, such that 𝑚 1 β m, where 𝑚 is a natural number  element. Let the function 𝑓 be continuous on 𝐹 0,∞  and integrable on any finite subinter‐

val of 𝐹 0,∞ . Then, for 𝑥 0, the Caputo fractional, 𝑓 with the order 𝛽 is defined as: 

𝐷 𝑓 𝑥

1

Γ 𝑚 𝛽

𝑓 𝜉

𝑥 𝜉 𝑑𝜉.

(5)

From Definition 2, the following properties hold: 

𝐷 𝐶

0, (6)

and 

𝐷 𝑥

0,

Γ 𝜂

1

Γ 𝜂

1

𝛽 𝑥

, (7)

where 𝜂 is an element of natural number and Γ .  is a gamma function. 

2. Approximation to a Space‐Fractional Diffusion Equation 

Equation (1) approximates the space‐fractional term using the Caputo definition and  the  second‐order  half‐sweep  finite‐difference.  For  more  details  about  half‐sweep  see[17,20–22]. Suppose that ℎ , with 𝑃 as any positive integer. Then, the space‐frac‐

tional term can be equated as: 

𝜕 𝑈 𝑥, 𝑡

𝜕𝑥

1

𝛤

2

𝛽

𝜕 𝑈

𝜉,

𝑡

𝜕𝑥 𝑥 𝜉 𝑑𝜉,

(8)

which is also equivalence to: 

1

𝛤

2

𝛽

𝑈

, 2𝑈 ,

𝑈

,

2ℎ

𝑃ℎ 𝜉 𝑑𝜉

, , ,…

. (9)

(5)

Symmetry 2021, 13, 1005  of   

 

Let 𝜑 2h  and 𝑔 1 . Then, from Equation (9), we obtain: 

𝜕 𝑈

𝑥,

𝑡

𝜕𝑥 𝜑 𝑔 𝑈

, 2𝑈 ,

𝑈

,

, , ,…

. (10)

Using Equation (10) and the implicit finite difference scheme for the remaining de‐

rivatives in Equation (1), the simplified approximation to the SFDE via the finite difference  and Caputo partial derivative can be formulated into: 

𝛾𝑈

,

𝐴 𝜑 𝑔 𝑈

, 2𝑈 ,

𝑈

,

, , ,…

𝐴

4ℎ

𝑈

,

𝑈

,

𝐴 𝑈

,

𝐵

,

𝛾𝑈

, ,

(11)

for 𝑖 2,4, … ,𝑃 2. Equation (11) can be rearranged neatly into: 

𝑏 𝑈 , 𝛾 𝑐 𝑈, 𝑏 𝑈 , 𝑎 𝑓, (12) where  𝑏 ,𝛾 ∆𝑡,𝑐 𝐴 ,𝑎 𝑎 ∑ , , ,…𝑔 𝑈 , 2𝑈 , 𝑈 , ,   𝑎 𝐴 𝜑, and 𝑓 𝛾𝑈, 𝐵, . Based on Equation (12), we can simply state an equation for  𝑛 3 as: 

𝑝 𝑈 , 𝑞 𝑈 , 𝑟 𝑈 , 𝑠 𝑈, 𝑣 𝑈 , 𝑅 𝑓, (13)

where 𝑅 𝑎 ∑ , , ,…𝑔 𝑈 , 2𝑈 , 𝑈 , ,𝑝 𝑎 𝑔 ,𝑞 𝑎 𝑔

2𝑎 𝑔 ,𝑟 𝑏 𝑎 𝑔 2𝑎 𝑔 𝑎,𝑠 𝑎 𝑔 2𝑎 𝛾 𝑐,  and  𝑣 𝑎 𝑏. From  Equation (13), the system of the linear equation can be expressed as follows: 

𝐴𝑈

~

𝑓

~, (14)

where 

𝐴

⎣ ⎢

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎢ ⎢

⎡ 𝑠 𝑣

𝑟 𝑠 𝑣

𝑞 𝑟 𝑠 𝑣

𝑝 𝑞 𝑟 𝑠 𝑣

𝑝 𝑞 𝑟 𝑠 𝑣

⋱ ⋱ ⋱ ⋱ ⋱

𝑝 𝑞 𝑟 𝑠 𝑣

𝑝 𝑞 𝑟 𝑠 ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤

,

𝑈

~

𝑈

2

𝑈 𝑈 ⋯ 𝑈 𝑈

, and 

𝑓

~

𝑓 𝑟 𝑈 𝑓 𝑞 𝑈 𝑓 𝑝 𝑈 ⋯ 𝑓 𝑅 𝑓 𝑟 𝑈 𝑅

   

(6)

3. Half‐Sweep Preconditioned SOR Formulation   

The system (Equation (14)) is transformed in the form of the linear equation’s pre‐

conditioned system as follows: 

𝐴

𝑥

~

𝑓

~, (15)

where 𝐴 𝜌𝐴𝜌 ,𝑓

~ 𝜌𝑓,

~ and 𝑈

~ 𝜌 𝑥

~

Further, to discover the numerical tridiagonal linear system solutions of Equation  (15), we considered the half‐sweep preconditioned SOR (HSPSOR) iterative method. The  𝜌 was the preconditioned matrix and was given as [23]: 

𝜌 𝐼 𝑆,

(16)

where 

𝑆

⎣ ⎢

⎢ ⎢

⎢ ⎡

0

𝑣

0 0 0 0

0 0

𝑣

0 0 0

0 0 0

𝑣

0 0

0 0

⋱ ⋱ ⋱

0

0 0 0 0 0

𝑣

0 0 0 0 0 0

⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤

.

Meanwhile, 𝐼 was an identity matrix. The generated coefficient matrix 𝐴, as in  Equation (15), can be split as follows: 

𝐴

𝐷 𝐿 𝑉,

(17)

where 𝐷,𝐿, and 𝑉 were the diagonal matrices, the lower triangular, and the upper trian‐

gular, respectively. Considering Equation (17), the HSPSOR iterative method can be re‐

written in the form of:   

𝑥

~

𝐷 𝜔𝐿 𝜔𝑉

1

𝜔 𝐷 𝑥

~

𝐷 𝜔𝐿 𝑓

~, (18)

where the unknown vector, 𝑥

~ , was given the solution at the  𝑘 1 th iteration, and  the relaxation parameters were chosen within the range, 1 𝜔 2. The computational  algorithm of the HSPSOR iterative method was as follows. 

Algorithm 1 The HSPSOR iterative method. 

i. Initialize 𝑈

~ ←0and 𝜀 ←10 .   

ii. For 𝑗 0, 1, … ,𝑛, and for 𝑖 0, 1, 2, … ,𝑃, calculate Equation (18), then approximate so‐

lutions: 

𝑈~ 𝜌 𝑥

~

If the convergence criterion is satisfied, that is: 

𝑈~ 𝑈

~ 𝜀, 

go to Step (iii). Otherwise, go back to Step (ii). 

iii Stop. 

4. Numerical Evaluation via C++ 

In this section, we implemented two examples of SFDE, using C++ programming to  verify the HSPSOR methodʹs effectiveness. The C++ programming language was used to  code Algorithm 1 because of a better coding organization and comprehension, which en‐

abled numerical computation to be conducted accurately. Furthermore, C++ program‐

ming was preferred for this work compared to other mathematics applications such as 

(7)

Symmetry 2021, 13, 1005  of   

 

Mathematica and Maple because the number of iterations and the execution time could  be recorded and optimized according to the code arrangement.   

For the comparison purpose, we considered a standard or full‐sweep preconditioned  SOR by taking into account the number of iterations, the execution time (seconds), and  the maximum error at the values of 𝛽 1.2, 𝛽 1.5, and 𝛽 1.8. The tolerance error  considered in Algorithm 1 and the C++ simulation was set at 𝜀 10 . This stopping  condition was fixed for the different mesh sizes used, M; that is, 128, 256, 512, 1024, and  2048. There was no best value of 𝜀 because, when a large value of 𝜀 was chosen such as  𝜀 10 , the number of iterations became small, and the result became inaccurate. More‐

over, when a small value of 𝜀 was used, such as 𝜀 10 , the number of iterations be‐

came large without improving the accuracy. Therefore, 𝜀 10  was selected arbitrarily  to check the convergence of the solution. The solution can only be obtained through the  simulation of Algorithm 1 after the iteration process was completed successfully. 

Example 1. Let us consider the SFDE’s initial boundary value problem: 

𝜕𝑈 𝑥, 𝑡

𝜕𝑡 𝐴 𝜕𝑈 𝑥, 𝑡

𝜕𝑥 𝐵 𝑥, 𝑡

, (19)

Example 2. Let us consider the SFDEʹs initial boundary value problem: 

𝜕𝑈 𝑥, 𝑡

𝜕𝑡 Γ

1.2

𝑥 𝜕𝑈 𝑥, 𝑡

𝜕𝑥

3𝑥 2𝑥 1

𝑒

, (20) Based on Tables 1 and 2, it can be observed that for the five different mesh sizes and  the three different 𝛽 used for the simulation of FSPSOR and HSPSOR to solve Example 1  and 2, respectively, the number of iterations and the execution time required by HSPSOR  are always smaller than FSPSOR. These results illustrated the success of the Half‐Sweep  finite difference scheme with Caputo’s space fractional to approximate the solution of  SFDE with lower computational complexity. The maximum errors produced by PSOR it‐

eration to solve both Example 1 and 2 decreases with the increasing mesh sizes for 𝛽 1.8 and 1.5. This means that with these values of 𝛽, the numerical solution of SFDE via  HSPSOR can be computed nearly to its exact solution with a sufficiently large mesh size  is used. However, for 𝛽 1.2, the maximum error is getting larger when the mesh is  made to be narrower. This shows the sign of limitation from the use of PSOR iteration,  and a modification on PSOR iteration needs to be conducted to handle this problem. 

Table 1. Computing the results with 𝛽 1.2, 1.5, and 1.8. 

Method 

𝜷 𝟏.𝟐    𝜷 𝟏.𝟓    𝜷 𝟏.𝟖   

Time  Max 

Error  Time  Max 

Error  Time  Max 

Error  128  FSPSOR  34  0.84  2.37 × 10−2  80  1.90  6.20 × 10−4  246  5.76  3.99 × 10−2 

HSPSOR  23  0.38  2.37 × 10−2  37  0.54  6.99 × 10−4  94  2.36  3.99 × 10−2  256  FSPSOR  67  5.33  2.44 × 10−2  211  17.84  5.69 × 10−4  806  67.75  3.97 × 10−2  HSPSOR  34  2.73  2.44 × 10−2  94  6.90  6.21 × 10−4  303  34.65  3.97 × 10−2  512  FSPSOR  129  41.43  2.47 × 10−2  566  182.83  5.36 × 10−4  2635  843.91  3.96 × 10−2  HSPSOR  67  22.65  2.47 × 10−2  246  86.09  5.69 × 10−4  988  421.58  3.96 × 10−2  1024  FSPSOR  278  472.35  2.49 × 10−2  1514  898.29  5.13 × 10−4  11,829  2099.87  3.95 × 10−2  HSPSOR  141  206.58  2.49 × 10−2  655  434.72  5.36 × 10−4  5413  1033.78  3.95 × 10−2  2048  FSPSOR  608  1219.76  2.50 × 10−2  4052  4299.73  5.02 × 10−4  47,289  8852.28  3.93 × 10−2  HSPSOR  305  608.80  2.50 × 10−2  2188  2133.43  5.13 × 10−4  23,143  4425.90  3.93 × 10−2 

   

(8)

Table 2. Computing the results with 𝛽 1.2, 1.5, and 1.8. 

Method 

𝜷 𝟏.𝟐    𝜷 𝟏.𝟓    𝜷 𝟏.𝟖   

Time  Max 

Error  Time  Max 

Error  Time  Max 

Error  128  FSPSOR  34  0.84  2.37 × 10−2  80  1.90  6.20 × 10−4  246  5.76  3.99 × 10−2 

HSPSOR  23  0.38  2.37 × 10−2  37  0.54  6.99 × 10−4  94  2.36  3.99 × 10−2  256  FSPSOR  67  5.33  2.44 × 10−2  211  17.84  5.69 × 10−4  806  67.75  3.97 × 10−2  HSPSOR  34  2.73  2.44 × 10−2  94  6.90  6.21 × 10−4  303  34.65  3.97 × 10−2  512  FSPSOR  129  41.43  2.47 × 10−2  566  182.83  5.36 × 10−4  2635  843.91  3.96 × 10−2  HSPSOR  67  22.65  2.47 × 10−2  246  86.09  5.69 × 10−4  988  421.58  3.96 × 10−2  1024  FSPSOR  278  472.35  2.49 × 10−2  1514  898.29  5.13 × 10−4  11,829  2099.87  3.95 × 10−2  HSPSOR  141  206.58  2.49 × 10−2  655  434.72  5.36 × 10−4  5413  1033.78  3.95 × 10−2  2048  FSPSOR  608  1219.76  2.50 × 10−2  4052  4299.73  5.02 × 10−4  47,289  8852.28  3.93 × 10−2  HSPSOR  305  608.80  2.50 × 10−2  2188  2133.43  5.13 × 10−4  23,143  4425.90  3.93 × 10−2 

5. Conclusions 

This paper describes the mathematical derivation of the implicit finite difference in  Caputoʹs approximation equations in which this approximation equation leads to a linear  system. By imposing the iterative methods of the FSPSOR and the HSPSOR, based on  observation of all experimental effects, it was evident that the number of iterations of the  HSPSOR decreased by approximately 31.30–85.45 per cent compared with the iterative  methods of the FSPSOR. Meanwhile, the execution time was much quicker, by around  41.18–95.33% more than the FSPSOR method. This implies that, relative to the FSPSOR  iterative methods, the HSPSOR method needs the minimum number of iterations and  computational time. It can be inferred from the precision of both iterative approaches that  their numerical resolutions were in the acceptable domain. When the tabulated numerical  results of the HSPSOR to solve the SFDE was compared against the results from the ap‐

plication of the HSPSOR on the time‐fractional diffusion equation (TFDE) [24], it was  found that the overall maximum errors produced by the HSPSOR in solving the SFDE  were slightly greater than when the HSPSOR was used to solve the TFDE. A thorough  study of the error of the method used will be conducted in the future. From this work, the  capability of the half‐sweep finite difference scheme to reduce the computational com‐

plexity for solving space‐ and time‐fractional diffusion equations and the compatibility of  the scheme with the PSOR iteration was shown. 

Author Contributions: Writing—original draft preparation, A.S.; writing—review and editing,  J.V.L.C.; supervision, P.A. and J.S. All authors have read and agreed to the published version of the  manuscript. 

Funding: This research received no external funding. 

Institutional Review Board Statement: Not applicable. 

Informed Consent Statement: Not applicable. 

Conflicts of Interest: The authors declare no conflict of interest. 

Reference 

1. Veeresha, P.; Prakasha, D.G.; Baskonus, H.M. New numerical surfaces to the mathematical model of cancer chemotherapy effect  in Caputo fractional derivatives. Chaos Interdiscip. J. Nonlinear Sci. 201929, 013119, doi:10.1063/1.5074099. 

2. Solís‐Pérez, J.E.; Gómez‐Aguilar, J.F.; Atangana, A. A fractional mathematical model of breast cancer competition model. Chaos  Solitons Fractals 2019127, 38–54, doi:10.1016/j.chaos.2019.06.027. 

3. Fatmawati, M.A.K.; Bonyah, E.; Hammouch, Z.; Shaiful, E.M. A mathematical model of tuberculosis (TB) transmission with  children and adults groups: A fractional model. Aims Math. 20205, 2813–2842, doi:10.3934/math.2020181. 

4. Noeiaghdam, S.; Sidorov, D. Caputo‐Fabrizio Fractional Derivative to Solve the Fractional Model of Energy Supply‐Demand  System. Math. Model. Eng. Probl. 20207, 359–367, doi:10.18280/mmep.070305. 

(9)

Symmetry 2021, 13, 1005  of   

 

5. Higazy, M. Novel fractional order SIDARTHE mathematical model of COVID‐19 pandemic. Chaos Solitons Fractals 2020138 110007, doi:10.1016/j.chaos.2020.110007. 

6. Çelik, C.; Duman, M. Crank–Nicolson method for the fractional diffusion equation with the Riesz fractional derivative. J. Com‐

put. Phys. 2012231, 1743–1750, doi:10.1016/j.jcp.2011.11.008. 

7. Guo, X.; Li, Y.; Wang, H. A fourth‐order scheme for space fractional diffusion equations. J. Comput. Phys. 2018373, 410–424,  doi:10.1016/j.jcp.2018.03.032. 

8. Sunarto, A.; Sulaiman, J. Investigation of fractional diffusion equation via QSGS iterations. J. Phys. Conf. Ser. 20191179, 012014,  doi:10.1088/1742‐6596/1179/1/012014. 

9. Tian, W.; Zhou, H.; Deng, W. A class of second order difference approximations for solving space fractional diffusion equa‐

tions. Math. Comput. 201584, 1703–1727, doi:10.1090/S0025‐5718‐2015‐02917‐2. 

10. Zhou, H.; Tian, W.; Deng, W. Quasi‐compact finite difference schemes for space fractional diffusion equations. J. Sci. Comput. 

201356, 45–66, doi:10.1007/s10915‐012‐9661‐0. 

11. Li, S.; Zhou, Z. Fractional spectral collocation method for optimal control problem governed by space fractional diffusion equa‐

tion. Appl. Math. Comput. 2019350, 331–347, doi:10.1016/j.amc.2019.01.018. 

12. Chen, H.; Huang, Q. Kronecker product based preconditioners for boundary value method discretizations of space fractional  diffusion equations. Math. Comput. Simul. 2020170, 316–331, doi:10.1016/j.matcom.2019.11.007. 

13. Fu, H.; Liu, H.; Wang, H. A finite volume method for two‐dimensional Riemann‐Liouville space‐fractional diffusion equation  and its efficient implementation. J. Comput. Phys. 2019388, 316–334, doi:10.1016/j.jcp.2019.03.030. 

14. Salehi, Y.; Darvishi, M.T.; Schiesser, W.E. Numerical solution of space fractional diffusion equation by the method of lines and  splines. Appl. Math. Comput. 2018336, 465–480, doi:10.1016/j.amc.2018.04.053. 

15. Hacksbusch, W. Iterative Solution of Large Sparse Systems of Equations, 2nd ed.; Springer International Publishing: Cham, Switzer‐

land, 2016. 

16. Saad, Y. Iterative Methods for Sparse Linear Systems, 2nd ed.; Society for Industrial and Applied Mathematics: Philadelphia, PA,  USA, 2003. 

17. Ibrahim, A.; Abdullah, A.R. Solving the two dimensional diffusion equation by the four point explicit decoupled group (EDG)  iterative method. Int. J. Comput. Math. 199558, 253–263, doi:10.1080/00207169508804447. 

18. Caputo, M. Diffusion with space memory modelled with distributed order space fractional differential equations. Ann. Ge‐

ophys. 200346, doi:10.4401/Ag‐3395. 

19. Miller, K.S.; Ross, B. An Introduction to the Fractional Calculus and Fractional Differential Equations, 1st ed.; Wiley‐Interscience: New  York, NY, USA, 1993. 

20. Aruchunan, E.; Muthuvalu, M.S.; Sulaiman, J. Quarter‐sweep iteration concept on conjugate gradient normal residual method  via second order quadrature‐finite difference schemes for solving Fredholm integro‐differential equations. Sains Ma‐lays. 2015 44, 139–146, doi:10.17576/jsm‐2015‐4401‐19. 

21. Lung, J.C.V.; Sulaiman, J. On quarter‐sweep finite difference scheme for one‐dimensional porous medium equations. Int. J. Appl. 

Math. 20202020, 33, doi:10.12732/ijam.v33i3.6. 

22. Sunarto, A.; Sulaiman, J.; Saudi, A. Solving the time fractional diffusion equations by the half‐sweep SOR iterative methodIn  Proceedings of the 2014 International Conference of Advanced Informatics: Concept, Theory and Application (ICAICTA), Ban‐

dung, Indonesia, 20–21 August 2014; pp. 272–277, doi:10.1109/ICAICTA.2014.7005953. 

23. Gunawardena, A.D.; Jain, S.K.; Snyder, L. Modified iterative methods for consistent linear systems. Linear Algebra Its Appl. 1991 154–156, 123–143, doi:10.1016/0024‐3795(91)90376‐8. 

24. Sunarto, A.; Sulaiman, J. Application half‐sweep preconditioned SOR method for solving time‐fractional diffusion equations. 

In Proceedings of the International Conference on Industrial Engineering and Operations Management, Detroit, MI, USA, 10–

14 August 2020; pp. 3414–3420. 

 

View publication stats View publication stats

Referensi

Dokumen terkait